系留氣球環境適應性研究

孫 帆 劉宗強 龔惠玲 陳 芳

（1. 南京航空航天大學，江蘇 南京 210016；2. 中航工業特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

1 國內外系留氣球環境適應性研究現狀

國外環境工程在系留氣球的應用特點主要表現在系統化、專業化和產業化等方面。歐美國家在系留氣球的環境適應性方面已取得了豐碩的成果。

由于觀念的陳舊、認識上的誤差，在系留氣球的研究方面，國內沒有將環境工程作為系統工程加以考慮。另外，現有航空標準對系留氣球針對性不強。長期以來我國系留氣球的環境適應性工作僅僅停留在環境試驗的環節上，造成產品的環境適應性不高，不能滿足在各種惡劣環境條件下的使用要求。

2 系留氣球環境工程

2.1 環境適應性

它是產品在其壽命期預計可能遇到的各種環境的作用下能實現其所有預定功能、性能和（或）不被破壞的能力，是產品的重要質量特性之一。

產品的環境適應性是以產品是否失效或有故障作為判據的，基本上是以適應或不適應作定性判據，即如果產品環境適應性不合格，意味著產品不能投入使用。

產品的功能和性能均滿足要求，說明其在預定環境中能正常工作，這是環境適應性的一個標志；另一個標志是產品在預定環境中不被破壞的能力。

2.2 環境工程技術體系

環境工程是系統地應用各種技術和管理措施使產品環境適應性達到規定要求的系統工程，包括環境工程管理、環境分析、環境適應性設計和環境試驗與評價。

首先，根據環境工程技術體系中的環境數據和環境分析技術對系留氣球的全壽命周期所遇環境因素及其影響進行分析，并針對環境影響開展環境適應性設計。

其次，根據前面分析及相關標準選擇試驗項目、試驗參數，確定試驗方案。系留氣球環境試驗采用了GJB 150A–2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法》[1]系列國家軍用標準。

最后，根據系留氣球環境試驗情況對實際工程設計給出建議。

2.3 系留氣球軟式結構環境適應性

系留氣球的使用特點是：野外露天工作、任務周期長、任務范圍廣、設備工作海拔高等。

環境對系留氣球產品的影響主要表現為：降低結構件的拉伸斷裂強度；影響材料的透氦率；降低產品壽命。

3 系留氣球全壽命周期環境影響因素分析

對系留氣球影響最大的環境因素主要包括：溫度、濕度、鹽霧、霉菌和太陽輻射。

3.1 溫度

3.1.1 溫度因素影響分析系留氣球環境適應性的研究主要是研究其在運輸階段、使用階段和貯存階段。期間的環境溫度基本上在–40℃～50℃波動。

3.1.2 溫度效應分析

在高、低溫的作用下，系留氣球軟結構通常產生的失效模式有兩種：強度和彈性材料物理特性的變化；加速老化，誘發材料開裂、分解。

3.1.2.1 高溫環境效應

在高溫的作用下，系留氣球軟式結構普遍產生的失效模式有兩種：強度和彈性材料物理特性的變化；加速老化，誘發材料和表面涂層的開裂、分解、龜裂或退色。

3.1.2.2 低溫環境效應

在低溫的作用下，系留氣球軟式結構普遍產生的失效模式有兩種：強度和彈性材料物理特性的變化；在低溫下材料脆性增加，導致材料因折疊而脆裂，進而導致壽命縮短或性能降低。

3.1.2.3 溫度沖擊環境效應

系留氣球暴露于溫度沖擊環境時可能引發的問題是：引起材料的膨脹或收縮，導致應力集中而發生開裂。

3.2 霉菌

3.2.1 霉菌因素影響分析

霉菌的生長發育受到自然界各種因素的影響比較復雜。但就系留氣球而論，受霉菌侵襲的環境條件概括起來為3大要素。

溫度：絕大多數霉菌的平均最適溫度一般定在25℃～30℃之間。

相對濕度：一般生長最適宜的相對濕度為85%～100%，相對濕度在70%時也能生長。低于65%時，多數霉菌不再生長，孢子停止萌發。所以在霉菌試驗時，一般將相對濕度控制在96%以上。

營養物質：霉菌在生命活動的各個階段，碳、氮、鉀、磷、硫和鎂等是霉菌必需的養料。

3.2.2 霉菌效應分析霉菌生長對一般系留氣球造成的有害侵蝕主要包括：對材料的直接侵蝕、對材料的間接侵蝕。

3.2.2.1 對材料的直接侵蝕

系留氣球軟結構的材料主要由高分子的復合材料構成，其表面覆蓋有防氣體滲漏和防太陽輻射等的合成材料涂層，主要成分是聚氨酯、聚氯乙烯，均為非抗霉材料，容易受到直接侵蝕。霉菌能將其分解作為自己的養分，這就影響了產品的性能。

3.2.2.2 對材料的間接侵蝕

對抗霉材料的損害來自間接侵蝕。霉菌與敏感材料接觸會導致其降解，而霉菌的代謝產物與鄰近的抗霉材料接觸，從而造成間接侵蝕。

3.3 鹽霧

系留氣球暴露于腐蝕性大氣環境中會受到3種類型的影響：腐蝕效應，電氣效應和物理效應。

3.3.1 腐蝕效應

針對系留氣球軟式結構，鹽霧會對其產生如下腐蝕效應：系留氣球囊體材料被腐蝕，嚴重的會導致其抗老化性能下降；影響囊體材料的氣密性。

3.3.2 電氣效應

鹽霧環境可能導致系留氣球產生電氣效應：鹽沉積物會產生導電的覆蓋層，使得絕緣材料及金屬的腐蝕，導致設備電路的損壞。

3.3.3 物理效應

鹽霧環境可能導致產生下述物理效應：機械部件和組件的活動部分阻塞或卡死；電氣部件由于電解作用而導致涂層起泡。對于系留氣球主要是影響其囊體材料抗拉強度和延伸率等物理性能。

3.4 濕度

3.4.1 表面效應

包括：加速化學反應，導致表面覆蓋層的化學破壞；表面水氣和外來附著物相互作用產生腐蝕膜；摩擦系數的改變導致粘結或粘附。

3.4.2 材料性質的改變

包括：物理強度降低；復合材料的分層、塑性或彈性變化、氣密性降低。

3.5 太陽輻射

太陽輻射產生的效應主要分為2種：熱敏效應和光化學效應。

3.5.1 熱敏效應

太陽輻射的不同譜段，對系留氣球的影響也不同。由于系留氣球是在高空使用，而高空大氣層中雜質少，太陽輻射能量較高，不過其溫度較低、風的作用比較多，會帶走部分熱量，因此太陽輻射對系留氣球的熱效應不明顯。

3.5.2 光化學效應

光化學效是針對非金屬材料而言，系留氣球軟式結構件均為非金屬材料，故主要考慮光化學效應對其影響。波長短于300 nm的紫外照射雖然只占所有太陽輻射的1%左右，但作用很大。對于系留氣球的囊體材料來說，紫外線的光量子能破壞其分子聚合物的化學鍵，引起光化學反應，造成分子量降低、材料分解、裂析、變色、彈力和抗張力降低等。紫外線和臭氧還會影響橡膠、環氧樹脂粘合劑和甲基丙烯氣動密封性能的穩定性。紫外線會改變熱控涂層的光學性質，使表面逐漸變暗，提高太陽輻射的吸收率，從而影響系留氣球的溫度效應。

4 系留氣球環境試驗

4.1 溫度試驗

4.1.1 試驗條件

在溫度因素對系留氣球影響分析過程中，我們了解了溫度沖擊對系留氣球的影響。在試驗前先確定試驗參數即試驗溫度和保溫時間。

根據工程經驗， 建議試驗溫度控制在–50℃～50℃；保溫時間已產品達到穩定溫度為宜，一般控制在0.5h到1h之間。

4.1.2 試驗方法

試驗方法按照GJB 150.3A–2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第3部分：高溫試驗》和GJB 150.4A–2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第4部分：低溫試驗》執行。

4.2 霉菌試驗

4.2.1 試驗條件

由于霉菌發芽、分解含碳分子以及降解材料所需時間是28天，因此霉菌試驗的最短時間為28天，試驗過程中檢查外觀長霉程度即可。

4.2.2 試驗方法

按照GJB 150.10A–2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第10部分：霉菌試驗》規定執行。

4.3 鹽霧試驗

4.3.1 試驗條件

根據GJB 150.11A–2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第11部分：鹽霧試驗》要求及系留氣球實際工作環境確定試驗條件如下：確定鹽溶液的濃度為5%±1%；確定試驗持續時間為24 h連續噴鹽霧和24 h干燥兩種狀態循環96 h的試驗程序；

噴鹽霧溫度為35℃±2℃；鹽霧沉降率為1～2 ml/80cm2.h。

4.3.2 試驗方法

按照GJB 150.11A–2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第11部分：鹽霧試驗》執行。

4.4 濕熱試驗

4.4.1 試驗條件

根據GJB 150.9A–2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第9部分：濕熱試驗》、ASTM D5427要求及系留氣球實際工作環境，確定試驗條件如下：試驗溫度（80±2）℃，相對濕度（95±5）%；加速老化時間336 h。

4.4.2 試驗方法

根據ASTM D5427并參考GJB 150.9A–2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第9部分：濕熱試驗》要求確定。

4.5 太陽輻射試驗

4.5.1 試驗條件

按照ASTM G155–05a要求及系留氣球實際工作環境確定實驗條件如下：

● 使用輻射強度為0.35W/m2?nm、波長為340 nm的氙燈照射；

● 照射方法為每次循環在溫度77℃，相對濕度70%下，照射1.5 h，再照射和噴水0.5 h，依次循環。

4.5.2 試驗方法

按照ASTM G155–05a并參考GJB 150.7A–2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第7部分：太陽輻射試驗》的相關規定執行。

5 工程建議

5.1 高溫環境適應性設計

根據高溫對系留氣球的影響效應，對系留氣球的高溫環境適應性設計，從兩個角度出發考慮：一是改善產品內部結構的溫度環境；二是提高產品元器件自身的高溫適應能力。

結合系留氣球的使用特點，給出以下建議：第一，改善產品內部結構的溫度環境方面：建議在發熱量大的部位加裝散熱風機；第二，將發熱量大的設備布置在盡可能遠離氣囊的部位，如整流罩、外掛架等處。

5.2 低溫環境適應性設計

根據低溫對系留氣球的影響效應，針對系留氣球的低溫環境適應性設計主要包括兩個方面：其一，改進產品結構：盡可能的減少“非圓弧過度”設計。其二，嚴格展開、拆收規程。 展開應盡量減少劇烈拖動； 拆收應盡量展平后折疊，并盡量用軟套包裹不能拆卸的硬結構件和設備；對低溫敏感的部件，改善其局部溫度環境，將其放置在發熱量較大的器件附近； 對元器件100%進行一次和二次篩選，包括低溫測試。

5.3 鹽霧環境適應性設計

根據鹽霧對系留氣球產生的影響效應，建議對系留氣球的鹽霧環境適應性設計主要是選用耐候材料，對新材料應先進行鹽霧試驗，確保其各方面的性能均滿足設計指標要求，再投入工程應用。

5.4 霉菌環境適應性設計

根據霉菌對系留氣球產生的影響效應，建議對系留氣球的霉菌環境適應性設計如下：

5.4.1 結構設計

產品在設計時，整體外觀要求光滑、流暢、簡潔，盡量不要有縫隙、凹槽，以免積水藏灰，為霉菌的生長創造條件，為提高其抗霉能力。

產品的抗霉能力很大程度上取決于其材料的選取，選取抗霉能力強的材料，能從根本上提高產品的抗霉能力。

5.4.2 生產工藝及過程控制

系留氣球的成型基本上都是特殊過程，一旦成型，就很難返工返修，后續檢驗也難以發現一些缺陷，因此就對生產工藝提出了更高的要求。

5.4.2.1 熱合電流、壓力

熱合過程的工藝參數如果控制不好，熱合部位就宜留下縫隙，就易于霉菌生長。

5.4.2.2 膠接時膠層的厚度、均勻性及加壓的時間和壓力大小

膠接的膠層厚度、均勻性及加壓的時間和壓力大小如果控制不好，都易留下縫隙或在后續脫膠開裂，也就為霉菌的上傳提供了條件。

5.4.2.3 貯存控制

控制霉菌滋生的辦法之一是除氧封存，試驗表明，如果密閉系統內的氧氣濃度低于1%，密閉系統內的物品就不會發霉[2]。

控制霉菌滋生的另一有效辦法是控制溫濕度。絕大多數霉菌的平均最適溫為25℃～30℃之間，而在0℃～10℃時，霉菌生長顯著變緩。相對濕度也是霉菌生長的必要條件。一般生長最適宜的相對濕度為85%～100%，但相對濕度在70%時也能生長，低于65%時，除個別霉菌外，多數霉菌不再生長，孢子停止萌發。因此，應將貯存環境的溫度控制在0℃～10℃，將貯存環境的濕度控制在65%以下。

5.5 濕熱環境適應性設計

5.5.1 選材

主要是選用耐候材料，選用新材料時應先進行濕熱試驗，確保其各方面的性能均滿足設計指標要求，再投入工程應用。

5.5.2 貯存環境

確保貯存環境通風、干燥，長時間不使用時，要定期開箱晾曬。在撤收時，盡可能地選擇晴好天氣待囊體材料徹底干燥后打包。

5.6 太陽輻射環境適應性設計

根據太陽輻射對系留氣球產生的影響效應，建議對系留氣球的太陽輻射環境適應性設計主要是選用耐候材料，對新材料應先進行太陽輻射試驗，確保其各方面的性能均滿足設計指標要求，再投入工程應用。

6 結論

本文通過對系留氣球全壽命周期內所遇到環境因素及其影響分析，確定了系留氣球會受到溫度、霉菌、鹽霧、濕度及太陽輻射這幾種主要因素的影響。然后，根據系留氣球使用環境的特點和相關試驗標準，確定了對系留氣球的試驗項目和試驗方案并給出系留氣球環境適應性設計工作的工程建議。

[1]GJB 150 A–2009 軍用裝備實驗室環境試驗方法 [S].

[2]張江濤，吳龍益.機載設備霉菌防護設計[J].裝 備環境工程，2007.